第一章 緒論 模擬電子技術基礎,集成運算放大器

2023/2/11模擬電子技術基礎教師：羅廣孝2023/2/12ApplicationsMobile

InternetNetworkServicesHomei.LINKMemoryStick2023/2/132023/2/142023/2/152023/2/16電子歷史

---放映室

晶體管：

前世……

今生……

來世……2023/2/171879年10月21日，故事從這兒開始……1879年10月19日，美國著名發(fā)明家愛迪生成功地使第一盞由竹篾燒成的碳絲制成的白熾燈發(fā)光，長達45小時。2023/2/18

為了延長白熾燈的壽命，愛迪生繼續(xù)進行研究。他在燈泡的碳絲附近焊上一小塊金屬片，金屬片沒有與燈絲接觸，但如果在它們之間加上電壓，燈絲受熱后，會產(chǎn)生一股趨向附近的金屬片的電流。當時，愛迪生本人并沒有意識到這種現(xiàn)象有多少技術潛力，而轉(zhuǎn)入其他項目的研究。后人認識到愛迪生發(fā)現(xiàn)的是一種"熱電子發(fā)射現(xiàn)象"，有重要的實際應用價值，把它稱為"愛迪生效應"。最早預見到愛迪生效應具有實用價值的，是英國物理學家、工程師弗萊明。弗萊明于1870年大學畢業(yè)，1877年到劍橋大學工作，協(xié)助麥克斯韋進行電學實驗。19世紀80年代，弗萊明在愛迪生設在倫敦的事務所當顧問。90年代，他又與意大利發(fā)明家馬可尼一起工作。弗萊明與上述兩位發(fā)明大師共事的經(jīng)歷，促使他把兩位大發(fā)明家的成果相結(jié)合，他的目標是為無線電報接收機尋求更理想的檢波器。在研制新穎檢波器時，弗萊明發(fā)現(xiàn)，如果把產(chǎn)生愛迪生效應的燈泡的“板極”(金屬片)接電源正極，則在電場的作用下，燈絲發(fā)射出的電子就會流向板極，從而使燈絲和板極之間的電路導通。如果板極與電源負極相連，燈絲就不發(fā)射電子，這樣，燈絲與板極之間就沒有電流。根據(jù)這一發(fā)現(xiàn)，1904年弗萊明首先研制出了在無線電報接收機中用做檢波器的真空二極管，并獲得了專利。他一直生活到20世紀40年代，親眼目睹了他的發(fā)明結(jié)出的碩果。1906年，美國發(fā)明家德·福雷斯特對二極管加以改進，首先研制出真空三極管。

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德·福雷斯特排除干擾繼續(xù)從事研究，希望能找到一種加快電報信號傳送速度的方法。一次，他把一個三極管與電話送話器等連接在一起，再接到耳機上去。當把一塊手表放在電話送話器前面時，居然出現(xiàn)了一件意想不到的事：手表的"嘀嗒"聲被放大了。德·福雷斯特和他的助手找到了一種可以控制三極管放大作用的方法：減弱所需放大的電流，而把幾個三極管連接起來使用，使一個三極管的輸出，成為下一個三極管的輸入，這樣就能使放大效果大大增強。德·福雷斯特在三極管放大的原理上，取得了突破性的進展，使得制造功率放大器的設想有了成功的可能。1912年，德·福雷斯特等發(fā)明了再生電路，利用正反饋技術，使音頻信號放大到可以接收的程度。從此，三極管才開始用于無線電話機。

1912年，美國通用電氣公司的化學家蘭茂爾(他在1932年榮獲諾貝爾獎)和美國電話電報公司的阿諾德，在各自的公司，分別研制出高真空的電子三極管，使三極管的放大倍數(shù)大幅度提高，工作性能更加穩(wěn)定。從此，三極電子管進入了實用階段。2023/2/110

電子管也稱為真空管(Vacuumtube),它是在一個抽成真空的玻璃泡中封有一些電極而制成的。圖1是各種真空管的照片，真空管是第一代電子器件。1904年，世界上第一只電子管在英國物理學家弗萊明的手下誕生了。弗萊明為此獲得了這項發(fā)明的專利權(quán)。人類第一只電子管的誕生，標志著世界從此進入了電子時代。2023/2/1112023/2/112

半導體器件是二十世紀五十年代發(fā)展起來的，特別是1948年晶體管（“Transistor”isshortfor“TransferResistor”）的發(fā)明，對電子技術的發(fā)展起到了決定性的作用。下圖是各種半導體二極管和三極管的照片。圖各種半導體二極管的照片圖各種半導體三極管的照片2023/2/1131954年10月18日，美國德州儀器推出世界上第一個口袋型商業(yè)晶體管收音機：四個晶體管超外差；22.5伏電源；體積：

76x128x32MM2023/2/1142023/2/115

隨后在半導體器件的基礎上發(fā)展起來的集成電路，使電子技術進入了一個新的里程碑。集成電路的不斷發(fā)展，從小規(guī)模集成電路到中規(guī)模、大規(guī)模集成電路，以及發(fā)展到超大規(guī)模集成電路?？梢园堰^去一臺儀器所包括的電子電路集成到一塊芯片之中。下圖是各種集成電路的照片。圖各種集成電路的照片2023/2/116那些人……

那些事……2023/2/117

1946年1月，Bell實驗室正式成立半導體研究小組,

W.Schokley肖克萊，J.Bardeen巴丁、W.H.Brattain布拉頓。Bardeen提出了表面態(tài)理論，Schokley給出了實現(xiàn)放大器的基本設想，Brattain設計了實驗。1947年12月23日，第一次觀測到了具有放大作用的晶體管1.晶體管的發(fā)明2023/2/118肖克萊(WilliamShockley)巴丁(JohnBardeen)布拉頓(WalterBrattain)2023/2/119晶體管的發(fā)明

二戰(zhàn)結(jié)束時，諸多半導體方面的研究成果為晶體管的發(fā)明作好了理論及實踐上的準備。1946年1月，依據(jù)戰(zhàn)略發(fā)展思想，Bell實驗室成立了固體物理研究組及冶金組，開展固體物理方面的研究工作。在系統(tǒng)的研究過程中，肖克萊根據(jù)肖特基的整流理論，預言通過“場效應”原理，可以實現(xiàn)放大器，然而實驗結(jié)果與理論預言相差很多。經(jīng)過周密的分析，巴丁提出表面態(tài)理論，開辟了新的研究思路，兼之對電子運動規(guī)律的不斷探索，經(jīng)過多次實驗，于1947年12月實驗觀測到點接觸型晶體管放大現(xiàn)象。第二年1月肖克萊提出結(jié)型晶體管理論，并于1952年制備出結(jié)型鍺晶體管，從此拉開了人類社會步入電子時代的序幕。2023/2/120

肖克萊在回顧晶體管發(fā)明過程的文章中談到對晶體管發(fā)明究竟是由實際追求具體器件導致的結(jié)果還是基礎研究的副產(chǎn)品這個問題，不能簡單地用“是”還是“不是”來回答。在晶體管發(fā)明的實際過程中，需求牽引與科學推動是交織融合在一起的。Bell實驗室在組織該課題時是基于提高檢波器穩(wěn)定性這一背景需求的，但在選擇研究目標是并不完全從追求解決實際技術出發(fā)，而是決定對固體物理學進行系統(tǒng)研究。當然也考慮到這一領域的突破將會對通訊技術的發(fā)展起到重要作用。晶體管的發(fā)明2023/2/121

基礎研究成果一旦與某種社會需求相結(jié)合，就能實現(xiàn)“基礎創(chuàng)新”，為技術發(fā)展提供理論基礎和實踐方向，成為整個創(chuàng)新流的源泉。例如晶體管發(fā)明作為“基礎創(chuàng)新”的成果，導致一系列平面工藝的創(chuàng)新與實現(xiàn)，繼而發(fā)明了集成電路，形成今天信息技術和產(chǎn)業(yè)賴以發(fā)展的強大基石。當今社會經(jīng)濟發(fā)展形態(tài)表明：知識經(jīng)濟初露端倪。可以說誰擁有了“基礎創(chuàng)新”，誰就掌握了主動權(quán)。這也可以說是發(fā)展中國家實行超越戰(zhàn)略、趕超世界先進水平的“捷徑”。晶體管的發(fā)明2023/2/122

1956年諾貝爾物理學獎授予美國加利福尼亞州景山（MountainView）貝克曼儀器公司半導體實驗室的肖克萊（WilliamShockley，1910—1989）、美國伊利諾斯州烏爾班那伊利諾斯大學的巴丁（JohnBardeen，1908—1991）和美國紐約州繆勒海爾（MurrayHill）貝爾電話實驗室的布拉頓（WalterBrattain，1902—1987），以表彰他們在1947年12月23日發(fā)明第一個對半導體的研究和PNP點接觸式Ge晶體管效應的發(fā)現(xiàn)。2023/2/123世界上第一個Ge點接觸型PNP晶體管蒸金箔塑料楔金屬基極鍺發(fā)射極集電極0.005cm的間距2023/2/1242.集成電路的發(fā)明

1952年5月，英國科學家G.W.A.Dummer達默第一次提出了集成電路的設想。1958年以德克薩斯儀器公司的科學家基爾比(ClairKilby)為首的研究小組研制出了世界上第一塊集成電路，并于1959年公布了該結(jié)果2023/2/1251958年第一塊集成電路：TI公司的Kilby，12個器件，Ge晶片獲得2000年Nobel物理獎2023/2/1261958年發(fā)明第一塊簡單IC的美國TI公司JackS.Kilby杰克·基爾比、美國加利福尼亞大學的赫伯特·克勒默和俄羅斯圣彼得堡約飛物理技術學院的澤羅斯·阿爾費羅夫一起獲得2000年Nobel物理獎，以表彰他們?yōu)楝F(xiàn)代信息技術的所作出的基礎性貢獻，特別是他們發(fā)明的IC、激光二極管和異質(zhì)晶體管。

赫伯特·克勒默杰克·基爾比澤羅斯·阿爾費羅夫2023/2/127青年基爾比第一塊集成電路集成電路草圖1958年9月12日，TI公司的JackS.Kilby在德州儀器半導體實驗室展示了一個構(gòu)造較為簡單的設備。第一次將所有有源和無源元器件都集合到只有一個曲別針大?。ú蛔?/2英寸見方）的半導體材料上。這塊集成電路共集成了十二個元件（兩個晶體管、兩個電容和八個電阻）。Kilby本人也因此與赫伯特·克勒默和俄羅斯的澤羅斯·阿爾費羅夫一起榮獲2000年度諾貝爾物理學獎。Ge襯底上的混合集成電路，美國專利號31387432023/2/1281959年美國仙童/飛兆公司（Fairchilds

）的R.Noicy諾依斯開發(fā)出用于IC的Si平面工藝技術，從而推動了IC制造業(yè)的大發(fā)展。1959年仙童公司制造的IC年輕時代的諾伊斯2023/2/129第一章緒論

電子技術基礎包括模擬部分和數(shù)字部分

模擬部分研究對象(器件、電路與系統(tǒng))

半導體器件：二極管D，三極管（晶體管）T，場效應管分立元件電路：共射極、共基極、共集電極放大電路，差放，功放，電源集成電路：集成運放，集成功放信號：產(chǎn)生，放大，反饋，運算，比較仿真工具：PSPICE（veryinteresting）

愛模電，愛SPICE！2023/2/1301.1電子系統(tǒng)與信號電子系統(tǒng)：由若干相互聯(lián)接、相互作用的基本電路組成的具有特定功能的電路整體?；倦娐罚褐傅氖腔締卧娮与娐罚缁痉糯箅娐?、濾波電路、取樣-保持電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路、信號運算處理電路、數(shù)摸轉(zhuǎn)換電路等。特定功能：指的是實現(xiàn)信號的傳輸或信號的處理等特定功能。

信號的分類：模擬信號：幅值和時間都連續(xù)變化的信號（氣溫、氣壓、風速）數(shù)字信號：幅值和時間都是離散的信號2023/2/131電信號源的電路表達形式電壓源等效電路電流源等效電路2023/2/132信號：信息的載體微音器輸出的某一段信號的波形數(shù)字信號波形2023/2/133電信號的時域與頻域表示A.正弦信號時域2023/2/134電信號的時域與頻域表示B.方波信號

滿足狄利克雷條件，展開成傅里葉級數(shù)(高數(shù))——直流分量其中——基波分量——三次諧波分量方波的時域表示2023/2/135信號的頻譜B.方波信號頻譜：將一個信號分解為正弦信號的集合，得到其正弦信號幅值和相位隨角頻率變化的分布，稱為該信號的頻譜。幅度譜相位譜2023/2/136Digitalsignal－帶寬梯形波頻率100MHz幅度為5V占空比50%上升／下降時間為1ns梯形波頻譜

2023/2/137Digitalsignal－９次諧波頻譜成分digitalsignalVS10PULSE(0501N1N4N10N)R101E6.TRAN0.0001N10N.FOUR100MEGV(1).PROBE.ENDFOURIERCOMPONENTSOFTRANSIENTRESPONSEV(1)DCCOMPONENT=2.500006E+00HARMONICFREQUENCYFOURIERNORMALIZEDPHASENORMALIZEDNO(HZ)COMPONENTCOMPONENT(DEG)PHASE(DEG)11.000E+083.131E+001.000E+00-1.800E+010.000E+0022.000E+081.149E-053.669E-065.321E+018.921E+0133.000E+089.108E-012.909E-01-5.400E+013.949E-0644.000E+089.224E-062.946E-061.624E+018.824E+0155.000E+084.053E-011.294E-01-9.000E+012.384E-056